【摘要】：由于過渡金屬具有較為獨(dú)特的電子特性,與輕元素鍵合可形成較強(qiáng)的共價(jià)鍵,并具有較高的價(jià)電子密度,所以過渡金屬輕元素化合物被廣泛認(rèn)作是潛在的超硬材料,目前已有多種高硬度的過渡金屬輕元素化合物被成功地理論預(yù)測與實(shí)驗(yàn)合成出來。由于過渡金屬與輕元素之間的軌道雜化強(qiáng)度對其硬度影響很大,所以有必要在過渡金屬輕元素化合物中選擇合適的體系對軌道雜化強(qiáng)度進(jìn)行研究。同時(shí),在此類化合物中還會呈現(xiàn)出多種功能性,例如:超導(dǎo)、催化、磁性等,其兼具高硬度與功能性的特點(diǎn)也將為尋找硬質(zhì)(超硬)多功能材料提供理想的平臺。本論文以過渡金屬碳化物中立方結(jié)構(gòu)的碳化鈮為研究對象,利用高溫高壓方法對碳化鈮材料進(jìn)行了合成。通過對所合成樣品的結(jié)構(gòu)、微觀形貌、力學(xué)、超導(dǎo)以及抗氧化能力表征得到了如下結(jié)果:1.利用高溫高壓反應(yīng)法,在鈮碳摩爾比1:0.6,壓力5 GPa,溫度2300 K,保溫15分鐘的條件下可得到高致密度的碳化鈮塊體樣品。微觀形貌測試(SEM、TEM)與密度測試表明樣品的致密度較高(≥98.0%),說明高溫高壓法對于合成具有特定形貌的高致密度塊體材料具有獨(dú)特的優(yōu)勢。2.對高溫高壓法合成的塊體碳化鈮材料進(jìn)行維氏硬度測試,測試結(jié)果表明碳化鈮的收斂維氏硬度值在21.7 GPa左右,其硬度收斂值與常用的硬質(zhì)材料硬度值相當(dāng),可在切割、磨削等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用。碳化鈮的收斂維氏硬度值也與其它高輕元素濃度的過渡金屬輕元素化合物具有同等的硬度值,并且立方結(jié)構(gòu)的碳化鈮晶體當(dāng)中只存在鈮-碳鍵,以上結(jié)果表明在過渡金屬輕元素化合物當(dāng)中過渡金屬d軌道與輕元素p軌道之間可以形成較強(qiáng)的軌道雜化作用,選擇恰當(dāng)?shù)倪^渡金屬與輕元素種類可能會實(shí)現(xiàn)高硬度甚至超硬材料。3.對合成的碳化鈮材料進(jìn)行低溫電阻測試與邁斯納效應(yīng)測試,結(jié)果表明碳化鈮在11.8 K以下轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙惓瑢?dǎo)電性材料,臨界磁場與臨界溫度值相對較高�？寡趸詼y試表明碳化鈮的抗氧化溫度達(dá)到550℃以上,說明碳化鈮具有較強(qiáng)的抗氧化能力。綜合以上說明:通過高溫高壓法合成的碳化鈮材料同時(shí)具有較高的硬度值、超導(dǎo)電性與抗氧化能力,是一種潛在的硬質(zhì)超導(dǎo)材料。4.通過第一性原理對碳化鈮晶體進(jìn)行了電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算。結(jié)果表明碳化鈮具有較高的體彈模量,較高的鈮-碳化學(xué)鍵布居以及較高的電子局域密度,說明鈮-碳鍵具有較強(qiáng)的共價(jià)性,從而解釋了碳化鈮較高的硬度值。此外由于碳化鈮較強(qiáng)的化學(xué)鍵所導(dǎo)致的較高的聲子振動頻率以及較高的費(fèi)米面附近電子態(tài)密度,從而形成較強(qiáng)的電子相互作用構(gòu)成庫柏對,所以具有較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。
【圖文】：

第一章 緒論1.1 研究背景硬質(zhì)功能材料具備有高硬度、耐磨性和高的抗壓縮能力，這些優(yōu)異的性質(zhì)在機(jī)械加工、航空航天、耐磨涂層等領(lǐng)域中有著舉足輕重的地位[1]。在日常生活和生產(chǎn)應(yīng)用過程中，經(jīng)常見到的硬質(zhì)(超硬)材料有金剛石和立方氮化硼等[2, 3]。硬質(zhì)（超硬）材料的應(yīng)用對社會各行各業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動作用，也是我國高技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略競爭的熱點(diǎn)[4, 5]。在上個(gè)世紀(jì)，，各國的科研人員就已經(jīng)開始研究如何人工合成超硬材料。維氏硬度值收斂在 40 GPa 以上的材料被定義為超硬材料。

它相比于金剛石有著較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。然而，立方氮化硬度值不及金剛石，一般在 40 至 60 GPa[11]。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于立方硼的合成條件苛刻，產(chǎn)量低，脆性高等問題極大的限制了它的普遍使用。傳硬材料金剛石和立方氮化硼的實(shí)際使用缺點(diǎn)的存在，激發(fā)了科研人員探索新功能超硬材料的興趣，而對于傳統(tǒng)超硬材料也在不斷的改良之中。在科研人員經(jīng)過探索和研究超硬材料應(yīng)用的新方面和新型多功能硬質(zhì)材后，人們發(fā)現(xiàn)，目前最具備超硬材料潛質(zhì)的主要有兩類，一類是以硼碳氮氧素形成的化合物或單質(zhì)，另一類是過渡金屬和輕元素形成的化合物[12]。傳超硬材料具有高的價(jià)電子密度、較多的共價(jià)鍵數(shù)，高的平均鍵能且共價(jià)鍵具強(qiáng)的方向性的特點(diǎn)。以硼碳氮氧輕元素形成的單質(zhì)或化合物形成了類似于傳硬材料金剛石的強(qiáng)共價(jià)鍵，來抵抗剪切形變，具有很高的剪切模量。因此這料是潛在的超硬材料，在以硼碳氮氧輕元素這類材料中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了具有高的材料，如 BC5、BC2N、B6O 等等[13-17]。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB34

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2684950